基于MFAC的Electric Standing Scooter控制系统设计

摘要

城市机动车的快速增长导致了日益严重的交通拥堵,使得机动车的作用不能够充分发挥;另一方面,许多大型场馆等基础设施中找不到合适的代步工具,给人们带来诸多不便。而一种新型的直立代步工具——Electric Standing Scooter,以其小巧、便捷,适应多种城市交通环境等特性,令我们看到了解决上述问题的希望。
　　 Electric Standing Scooter是由电力驱动的单轴双轮结构直立代步车,具有基于动态稳定的自平衡能力。其中央微处理器通过其内置的精密固态陀螺仪获取自身姿态信息并控制电机驱动轮胎以平衡人与车的倾斜扭矩及按照倾斜方向进行运动。Electric Standing Scooter的模型与直线一级倒立摆是一致的,而对后者的控制问题,目前已有许多卓有成效的控制方法。
　　 本文旨在将无模型自适应控制方法应用于Electric Standing Scooter控制,分析该控制方案的优势,并通过倒立摆模型及倒立摆实物对所提控制方案的有效性进行验证。无模型自适应控制是一种不需受控系统数学模型及相关先验知识,仅需系统I/O数据即可进行控制器设计的方法,具有在线估计参数少,设计简单,易于实现等优点,对一些难以建模的强非线性、强耦合性系统具有良好的控制效果,具有依赖系统数学模型的控制方法无法比拟的优势。
　　 应用无模型自适应控制方法进行控制器设计不需受控系统数学模型,但为了进行仿真研究,本文通过对Electric Standing Scooter进行了分析及建模,并将倒立摆的参数代入其中,得到了用于仿真研究的受控系统数学模型。而后对PID控制方案和基于MFAC外环补偿的PID控制方案分别进行了仿真和倒立摆实物实验,最终得出了MFAC外环补偿能有效改善PID控制系统对Electric Standing Scooter的控制效果这一结论。